《AHM》綜述：未來已來，聚焦太空心臟組織的生物3D打印

組織工程旨在為再生和個(gè)性化醫(yī)學(xué)制造新的組織和器官系統(tǒng)。最近，美國商業(yè)開發(fā)商和航天設(shè)備運(yùn)營商Techshot Inc和電子打印機(jī)制造商nScrypt開發(fā)了生物3D制造設(shè)施，該設(shè)施使用成人細(xì)胞和成人組織衍生的蛋白質(zhì)作為其生物墨水，用于在國際空間站（ISS）上創(chuàng)建可行的組織。此外，磁懸浮生物打印技術(shù)已在國際空間站上進(jìn)行了測試和驗(yàn)證。

雖然目前的進(jìn)步還不允許制造用于移植的器官，但空間復(fù)雜組織的生物3D打印有助于研究空間環(huán)境對(duì)生物過程的影響，否則很難在人類或動(dòng)物身上進(jìn)行研究，對(duì)于心血管系統(tǒng)來說尤其如此。為此，來自南卡羅來納大學(xué)的Kevin T abury、Lorenzo Moroni等人描述了在地球上使用的生物打印技術(shù)及其在太空中的適用性。作者討論了地球和太空中心臟組織生物打印的當(dāng)前進(jìn)展，并關(guān)注了生物鏈接的屬性和在太空中遇到的挑戰(zhàn)。

相關(guān)綜述論文以“Bioprinting of Cardiac Tissue in Space: Where Are We?”為題于2023年6月14日發(fā)表在《Advanced Healthcare Materials》上。

1. 地球上的生物打印技術(shù)及其在空間的適用性
高精度和靈活性還能夠結(jié)合多細(xì)胞沉積是生物3D打印的額外顯著優(yōu)勢。生物3D打印主要使用的技術(shù)包括噴墨、激光輔助和擠壓，也出現(xiàn)了磁懸浮或前述技術(shù)的衍生物等技術(shù)。基于噴墨、激光輔助和擠壓的3D打印技術(shù)已經(jīng)被廣為熟知。在追求軟組織生物打印的過程中，磁懸浮技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

目前的磁懸浮方法是使用釓(Gd3+)和錳(Mn2+)等離子或自由基來順磁化位于兩個(gè)磁體之間的懸浮介質(zhì)，磁極相同，彼此相對(duì)。通過添加封裝在水凝膠中的細(xì)胞（稱為建筑塊）進(jìn)入懸浮介質(zhì)并暴露于磁場后，這些水凝膠將自身定位在最小磁場強(qiáng)度區(qū)域。因此，通過改變構(gòu)件的參數(shù)(組成、硬度、彈性模量、孔隙率或細(xì)胞類型)，可以以無支架、無標(biāo)記和無噴嘴的方式組裝具有獨(dú)特空間異質(zhì)材料性質(zhì)的復(fù)雜構(gòu)建體（圖1）。

圖1 磁懸浮原理

最近在心臟組織生物打印的背景下已經(jīng)有文獻(xiàn)對(duì)上述技術(shù)進(jìn)行了審查。與其他文獻(xiàn)不同的是，作者總結(jié)了每種技術(shù)的重要方面，并指出了微重力在太空中使用時(shí)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)（表1）。

表1 地球上使用的生物打印技術(shù)的比較

2. 地球上心臟組織生物打印的生物墨水特性

仿生功能性心臟組織的創(chuàng)建在很大程度上依賴于適當(dāng)?shù)奈�環(huán)境和細(xì)胞密度，以及生物墨水的結(jié)構(gòu)和功能特性。具體來說，生物墨水的粘彈性特性、細(xì)胞結(jié)合基序的包含以及生物墨水的打印后修飾，促進(jìn)細(xì)胞排列、營養(yǎng)運(yùn)輸和機(jī)電同步，都對(duì)組織形成、成熟和功能化做出了顯著貢獻(xiàn)。迄今為止，尚未產(chǎn)生完全成熟的心臟組織。因此，仍然需要尋找理想的生物墨水，并應(yīng)以以下要求作為指導(dǎo)：

•高彈性和機(jī)械強(qiáng)度，可承受肌肉收縮時(shí)的重復(fù)機(jī)械應(yīng)力和非線性彈性。

•適當(dāng)?shù)纳�物降解性，可以持續(xù)足夠長的時(shí)間以進(jìn)行細(xì)胞附著，并防止患病心肌的蛋白水解活性，而不引發(fā)免疫反應(yīng)。

•生物相容性對(duì)細(xì)胞無毒，可以支持細(xì)胞的生存。

•促進(jìn)新血管形成和結(jié)構(gòu)重塑。

•受控的機(jī)電特性不會(huì)干擾動(dòng)作電位的電導(dǎo)。

•由外而內(nèi)的信號(hào)傳導(dǎo)促進(jìn)體外心肌細(xì)胞的最佳附著、存活、生長、成熟和功能，并支持功能性心臟收縮和植入體內(nèi)后融入宿主組織。

3. 地球上心臟組織生物打印的進(jìn)展
接著，作者對(duì)目前心臟組織生物打印技術(shù)進(jìn)行了概述，包括傳統(tǒng)生物打印方法和集成生物打印和芯片實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的方法。其中，將生物打印與芯片器官集成時(shí)最常用的打印技術(shù)是壓力輔助、噴墨、光輔助和微流體生物打印。通常，可以使用三種主要方法來實(shí)現(xiàn)集成：(1)單獨(dú)打印構(gòu)建體并將其放置在打印后的流體外殼中，(2)直接在外殼內(nèi)打印構(gòu)建體，或(3)對(duì)整個(gè)芯片進(jìn)行完全生物打印和組織構(gòu)建一步完成（圖2）。

圖2 生物打印器官芯片的打印方法概述

4. 太空中使用的生物打印技術(shù)
與地面操作相比，微重力下的生物打印帶來了各種新的障礙，但也帶來了機(jī)遇，需要對(duì)當(dāng)前地面技術(shù)進(jìn)行量身定制的工程改造。微重力為打印復(fù)雜的器官結(jié)構(gòu)提供了獨(dú)特的解決方案，因?yàn)樽钚〉闹亓ο�除了支撐�?fù)雜組織形狀的腳手架結(jié)構(gòu)的需要。

迄今為止，在太空中已經(jīng)使用了兩種生物打印技術(shù)。2018年，Roscosmos推出了“Organ.Aut”，該生物打印技術(shù)基于磁懸浮，他們的實(shí)驗(yàn)涉及一系列連續(xù)的階段（圖3）。2019年，國際空間站國家實(shí)驗(yàn)室啟動(dòng)了生物制造設(shè)施（BFF），該生物打印技術(shù)基于擠壓（圖4）。

圖3 Organ.Aut 太空打印過程概述

圖4 太空BFF打印過程概述

5. 太空生物打印面臨的挑戰(zhàn)

在地球上，3D生物打印的挑戰(zhàn)集中在打印分辨率、支架的選擇、受控血管化的生成、受控異質(zhì)細(xì)胞類型組成及其相關(guān)的空間分布，以及生物墨水中使用的生物材料。盡管由于微重力環(huán)境而減少了對(duì)結(jié)構(gòu)支撐腳手架的需求，但這些挑戰(zhàn)仍然存在于太空中。



（1）首先，包裝和運(yùn)輸方面的物流需要確保生物材料安全抵達(dá)國際空間站。為了確保宇航員的安全，需要多層密封以避免任何液體泄漏到國際空間站。這意味著發(fā)生液體交換的生物打印機(jī)的任何連接器或組件也需要防漏。



（2）其次，為了確保生物樣本保持活力，需要不同的儲(chǔ)存溫度。對(duì)于Organ.Aut，軟骨球包含在熱可逆水凝膠中，在打印之前儲(chǔ)存在4 °C下。就BFF而言，心臟細(xì)胞儲(chǔ)存在-95 °C下，而水凝膠則單獨(dú)包裝并儲(chǔ)存在2 °C下。



（3）第三，如果打印過程在地球上控制，則需要考慮由于國際空間站和地面控制之間的通信中斷而導(dǎo)致的信號(hào)丟失。在這方面，需要開發(fā)實(shí)施人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的自動(dòng)化系統(tǒng)。



（4）最后，由于太空中的輻射水平，電子元件需要進(jìn)行抗輻射處理。



在太空中，最初的心臟組織研究集中于人類干細(xì)胞及其分化為心臟祖細(xì)胞或心肌細(xì)胞（表3）。盡管心臟組織是使用BFF進(jìn)行生物打印的，但迄今為止尚未發(fā)表其他研究。近年來發(fā)表了一些有前途的項(xiàng)目，這將進(jìn)一步提高對(duì)太空心臟組織工程的理解（表2）。

表2 使用人類干細(xì)胞衍生的心臟細(xì)胞在國際空間站上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)列表

綜上，在快速發(fā)展的生物打印領(lǐng)域，空間材料的生物打印是新的、有前景的、未來的研究方向之一。太空生物打印實(shí)踐具有許多潛在的好處。首先，由于微重力，可以想象生物打印結(jié)構(gòu)，使用更多的流體系統(tǒng)，從而使用更具生物相容性的生物墨水。其次，缺乏重力意味著與地球上不同的是，諸如空隙、空腔、隧道等復(fù)雜的幾何形狀在微重力下是自支撐的，因此微重力環(huán)境有利于它們的建造。第三，初步實(shí)驗(yàn)似乎表明干細(xì)胞在微重力下表現(xiàn)更好。心臟組織是最復(fù)雜的器官之一，微重力有可能帶來突破性的進(jìn)步。

文章來源：

https://doi.org/10.1002/adhm.202203338